李敏　韓征　李勇　李巧剛

摘? 要：地質資源環(huán)境監(jiān)測是一項長期性、基礎性、公益性工作，可實現(xiàn)對各類地災隱患的有效監(jiān)控、評價、預警、預報。為了全面保障城市戰(zhàn)略性地質資源和地質環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，在現(xiàn)有監(jiān)測網基礎上，應打破應用格局，優(yōu)化監(jiān)測網絡部署，為將來實現(xiàn)地質資源環(huán)境承載力的立體動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)多個監(jiān)測預警系統(tǒng)監(jiān)測信息的有效融合，實現(xiàn)地質資源的按需服務和地質信息的全面共享奠定基礎。本文首先分析了北京市平原區(qū)在各地質資源環(huán)境專業(yè)領域的監(jiān)測現(xiàn)狀及存在的主要問題，對監(jiān)測網部署的內容及特點進行闡述，確定了監(jiān)測網絡優(yōu)化的主要對象，對各專業(yè)監(jiān)測網絡建設的優(yōu)化部署原則進行探討，通過引入九大類地質要素的分類機制，建立基于地質要素的綜合監(jiān)測網絡。根據(jù)每種要素的監(jiān)測目的和部署原則獲取隱伏線性構造、地面沉降、地下水環(huán)境、地溫場環(huán)境、土壤地質環(huán)境、地下空間、重大線性工程的動態(tài)監(jiān)測信息，其長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)將為進一步研究地質環(huán)境承載能力，提供可靠的基礎資料。

關鍵詞：地質資源;地質環(huán)境;監(jiān)測網絡;地質要素

中圖分類號：X141? ? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0100-06

Abstract： Geological resources and environment monitoring is a piece of long-term， basic and public welfare work， which can effectively monitor， evaluate， warn and forecast all kinds of hazards. In order to guarantee the sustainable development of urban strategic geological resources and geological environment， based on the existing monitoring network， the application should break the pattern， optimization of monitoring network deployment， realize the geological resource environmental bearing capacity for the future of three-dimensional dynamic monitoring， implement multiple monitoring early warning system for monitoring the effective integration of information， according to the geological resources and geological information sharing service. This article first analyzes the Beijing plain area in various geological resources and environment in the field of professional status quo and main problems of monitoring， elaborates the content and characteristics of the monitoring network deployment， and determines the main objects of the monitoring network optimization. The optimization of each major monitoring network deployment principle are discussed. By introducing mechanism of nine categories of the classification of geological factors， the comprehensive monitoring network has been set up based on the geological factors. According to each of the elements of the purpose of monitoring and deployment principle for concealed linear structure， ground subsidence， groundwater environment， geothermal field environment， soil， geological environment， underground space， significant linear engineering dynamic monitoring information， the long-term monitoring data will become the basis of further study on geological environment carrying capacity to provide reliable data.

Keywords： Geological resources; Geological environment; Monitoring network; Geological factors

0 引言

監(jiān)測網絡的建設作為北京市地質資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警平臺的基礎，將實現(xiàn)對地質資源和地質環(huán)境監(jiān)測信息的采集和匯聚，其建設的好壞將直接影響到平臺對于各類地質資源環(huán)境承載力的評價和監(jiān)測預警能力（韓征等，2017）。以北京市平原區(qū)為例，當前地質資源環(huán)境承載能力監(jiān)測網絡包括地下水環(huán)境、地面沉降及地裂縫、重大線性工程、地下空間地質安全、隱伏線性構造、土壤地質環(huán)境、地溫場環(huán)境、突發(fā)地質災害八大監(jiān)測網絡體系。

通過多年監(jiān)測，北京市地勘院（原北京市地勘局）基本掌握了各地質資源環(huán)境專業(yè)領域的動態(tài)變化特征，研究了其發(fā)生、發(fā)展機理和規(guī)律，其監(jiān)測成果已廣泛應用于城市規(guī)劃、土地資源管理、水資源調控、重大線性工程選址，重要建設場地適宜性評價、南水北調、地面沉降防治等多個方面。從綜合規(guī)劃和管理需求的角度，優(yōu)化各專業(yè)監(jiān)測預警網絡，建立綜合監(jiān)測網絡，開展綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化工作尤為重要（李亞民等，2013）。

1 監(jiān)測網絡建設現(xiàn)狀

近年來，國內外主要發(fā)達國家已經開展了大量地質監(jiān)測網絡方面的工作，形成了一定規(guī)模的地質資源監(jiān)測網絡體系，多半以小區(qū)域監(jiān)測為主，尤其是面積較小、經濟發(fā)達的國家和地區(qū)在監(jiān)測方面發(fā)展較快，但是綜合性監(jiān)測網絡系統(tǒng)只有少數(shù)國家已經建立。地質資源監(jiān)測預警平臺系統(tǒng)建設起步相對其他行業(yè)（氣象、地震、水務等）較晚，發(fā)展也較慢。隨著各類信息管理系統(tǒng)的發(fā)展日益成熟，尤其是網絡技術的高速發(fā)展，在多種新進技術的支撐下，地質資源與環(huán)境監(jiān)測網絡逐步由監(jiān)測升級到應用服務。

目前北京市地質環(huán)境監(jiān)測總體情況滯后于地質資源開發(fā)利用程序，滯后于地質環(huán)境變化的速度和趨勢。近幾年來，北京市地勘院開展了一系列有針對性的專業(yè)調查評價和監(jiān)測預警系統(tǒng)建設，已建成并投入運行的監(jiān)測系統(tǒng)為地下水環(huán)境監(jiān)測網絡、地面沉降監(jiān)測網絡、地溫場環(huán)境監(jiān)測網絡和土壤地質環(huán)境監(jiān)測網絡，其建設現(xiàn)狀為：

1.1 地下水環(huán)境監(jiān)測網絡

北京市已建立了區(qū)域地下水環(huán)境監(jiān)測網和重點污染源監(jiān)測網（周仰效等，2007），監(jiān)測井總計1182眼，實現(xiàn)了地下水質的分層立體監(jiān)測。其中，第一含水層組主要為潛水及埋深小于50m左右的淺層或具有微承壓性質的含水層組，監(jiān)測井數(shù)為384眼;第二含水層組分布于平原承壓水區(qū)，含水層組底界深度100m左右，監(jiān)測井數(shù)為209眼;第三含水層組分布于沖洪積扇中下部地區(qū)，含水層組底板埋深150～180m，監(jiān)測井數(shù)為152眼;第四含水層組底界埋深300m左右，監(jiān)測井井數(shù)為77眼。監(jiān)測網基本實現(xiàn)了立體分層監(jiān)測，但在每個水文地質分區(qū)尚未進行優(yōu)化設計。

1.2 地面沉降監(jiān)測網絡

北京市現(xiàn)已建立地面沉降監(jiān)測站7個，GPS監(jiān)測站114個，地下水位分層監(jiān)測井600余眼。監(jiān)測網基本覆蓋了平原區(qū)地面沉降嚴重地區(qū)，但對于宋莊等地裂縫重點地區(qū)未進行加密觀測。已建成的信息系統(tǒng)實現(xiàn)了地面沉降預測分析、沉降趨勢分析、地下水動態(tài)數(shù)據(jù)管理等功能，系統(tǒng)的建成提高了區(qū)域地面沉降的監(jiān)控能力，為地面沉降的防治提供了決策支撐。系統(tǒng)數(shù)據(jù)可與規(guī)自委、住建委等進行共享。

1.3 地溫場環(huán)境監(jiān)測網絡

北京市現(xiàn)已建成42個淺層地溫能利用監(jiān)測站點，設立了淺層地溫能開發(fā)利用動態(tài)監(jiān)測網絡，建立了地溫場監(jiān)測及采集系統(tǒng)。由于總體上監(jiān)測時間不長，監(jiān)測網尚未形成規(guī)模，更沒有優(yōu)化設計。

現(xiàn)有系統(tǒng)已實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析等功能。未來待建的信息系統(tǒng)將實現(xiàn)地熱地質建模、熱物性特征分析、地溫場特征分析等功能，建成后可與規(guī)自委、地調局等單位進行數(shù)據(jù)共享。

1.4 土壤地質環(huán)境監(jiān)測網絡

北京市已建立土壤地質環(huán)境監(jiān)測網180個監(jiān)測點，其中包含區(qū)域監(jiān)測點120個，重點地區(qū)監(jiān)測點60個，工業(yè)區(qū)監(jiān)測點15個，農業(yè)種植區(qū)監(jiān)測點20個，水源地保護區(qū)監(jiān)測點15個和元素異常區(qū)10個，按照土壤監(jiān)測的標準，還未達到監(jiān)測標準，更需要優(yōu)化設計。

現(xiàn)有系統(tǒng)可實現(xiàn)監(jiān)測點位管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、成果數(shù)據(jù)管理等功能。未來待建的信息系統(tǒng)將實現(xiàn)土壤地球化學評價、環(huán)境質量評價、污染分析評價、土地種植適宜性評價等功能，系統(tǒng)的建成將為保障土壤環(huán)境的安全提供支撐。數(shù)據(jù)可以與規(guī)自委、市農委等委辦局共享。

2 存在的主要問題

目前，地質資源環(huán)境監(jiān)測工作探索形成了以監(jiān)測預警體系為主體的基本格局，面向資源環(huán)境監(jiān)測發(fā)展需求，現(xiàn)有的監(jiān)測網絡仍然存在一些問題，還需要進一步完善優(yōu)化，使地質資源環(huán)境監(jiān)測成果更好地為地質環(huán)境保護和經濟社會發(fā)展服務。

2.1 已建監(jiān)測網絡不完善

北京市在“十二五”規(guī)劃期間，限于當時的技術發(fā)展水平及監(jiān)測網部署條件，當前已建各專業(yè)監(jiān)測網絡部署難以滿足未來的發(fā)展需求，各專業(yè)監(jiān)測網絡布設的地質依據(jù)不夠充分、監(jiān)測點、監(jiān)測站區(qū)域覆蓋不全、監(jiān)測區(qū)覆蓋面積不夠。在重點建設區(qū)域，現(xiàn)有的監(jiān)測網絡建設規(guī)模與需求差距較大。例如，目前地面沉降監(jiān)測網還沒有完全覆蓋到整個平原地區(qū)，淺層地溫能開發(fā)利用對環(huán)境影響監(jiān)測網絡建設落后于資源開發(fā)利用速度。同時，以往工作主要為區(qū)域性、大范圍的調查監(jiān)測，在局部有針對性的工作部署不夠，難以滿足監(jiān)測的精度需求，此外在監(jiān)測網絡化和計算機網絡應用方面發(fā)展落后，也是制約監(jiān)測工作效率的瓶頸。

2.2 不支持綜合管理需求

監(jiān)測網絡建設依然處于無序狀態(tài)，大范圍、宏觀地質環(huán)境監(jiān)測和區(qū)域地質環(huán)境綜合分析能力不足，尚不足以全面反映地質環(huán)境質量狀況。目前，現(xiàn)有監(jiān)測網絡的監(jiān)測內容多為單個地質環(huán)境問題（如地面沉降的專業(yè)監(jiān)測）監(jiān)測，尚未建立綜合網絡布設與工作部署。各專業(yè)監(jiān)測成果信息的整合程度較低，導致上下級之間、各相關業(yè)務部門之間的業(yè)務無法進行有效關聯(lián)與更新。由于缺乏動態(tài)監(jiān)測信息資源整合，各專業(yè)監(jiān)測分別建立監(jiān)測數(shù)據(jù)庫或信息系統(tǒng)，導致了監(jiān)測數(shù)據(jù)分散，數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能共享，無法滿足綜合規(guī)劃管理的需要。

3 監(jiān)測網絡的優(yōu)化設計

監(jiān)測網絡的建設過程中，面對的主要技術問題就是監(jiān)測網的部署方法（邢麗霞等，2011）。如果網絡部署得當，將對區(qū)域地質資源和地質環(huán)境的承載力進行有效監(jiān)控，以便于后期開展各類預警預報研究;如果網絡部署不當，如在重點區(qū)域未部署監(jiān)測設施、部署的監(jiān)測設施對區(qū)域的控制力不強、或監(jiān)測設施所在區(qū)域不具有代表性，將大大削減監(jiān)測預警能力。因此，監(jiān)測網絡的優(yōu)化設計工作對于監(jiān)測預警建設至關重要。如圖1所示監(jiān)測網絡建設流程，本次將在現(xiàn)有的研究基礎上，對監(jiān)測網絡的部署和優(yōu)化方法進行闡述。

3.1 各專業(yè)監(jiān)測網絡優(yōu)化部署

八大獨立的監(jiān)測預警體系應遵從自身的專業(yè)特點和建設基礎，按照可行性、持續(xù)性、代表性、全面性、重點突出性的原則，對每個專業(yè)監(jiān)測網絡分別進行部署，力求實現(xiàn)自身網絡的優(yōu)化配置。以地下水、地面沉降、地下空間和土壤監(jiān)測對象為例，其優(yōu)化部署原則如下：

（1）地下水環(huán)境監(jiān)測網部署原則

在建設上應統(tǒng)籌考慮北京市水務局、地勘院、環(huán)保局現(xiàn)有監(jiān)測點，結合已實施的“國家級監(jiān)測工程”及即將實施的“北京市地下水環(huán)境監(jiān)測網完善工程”，各層位達到“規(guī)程”的相應監(jiān)測精度;在垂向上突出“立體分層”;在地下水類型上突出“系統(tǒng)化”，開展第四系地下水的監(jiān)測，在此基礎上針對“雙源”（周磊等，2008），水源和污染源在重要地區(qū)和典型地段進行重點監(jiān)測，實現(xiàn)對城市區(qū)域地下水全面、系統(tǒng)的全方位監(jiān)測。

（2）地面沉降監(jiān)測網部署原則

適應南水北調進京后水資源利用結構以及地下水開采的變化形勢（周磊等，2008），統(tǒng)籌考慮北京市現(xiàn)有的地面沉降監(jiān)測網絡，包括水準監(jiān)測網、GPS監(jiān)測網、InSAR監(jiān)測網，并結合新常態(tài)下的地質災害預警監(jiān)測要求，對新的沉降中心區(qū)域、區(qū)域重大工程建設、線性工程、地下空間等未來發(fā)展的重點領域進行全面部署。在監(jiān)測范圍上，突出“全區(qū)域”、將平原區(qū)視為一個整體進行全面監(jiān)控;在垂向上突出“立體分層”，同時整合區(qū)域網，突出專網特征。監(jiān)測精度要求城市區(qū)域達到1∶5萬。

（3）地下空間監(jiān)測網絡部署原則

地下空間資源呈三維空間分布，總體布設時既要考慮平面，也要兼顧豎向。平面布置考慮未來地下空間開發(fā)利用重點區(qū)域以及地下空間開發(fā)利用的地質敏感區(qū)。地下空間資源開發(fā)是在地質體里進行，因此地質作用直接影響地下空間資源開發(fā)利用，對地質作用影響敏感區(qū)（隱伏線性構造、地面沉降、砂土液化、不良工程地質體以及氡氣）進行重點部署。豎向布置考慮地下空間開發(fā)利用深度以及在各開發(fā)層次影響地下空間資源的地質作用（於崇文等，2008）。結合未來地下空間開發(fā)利用深度，在重點區(qū)內地下空間資源開發(fā)利用深度將達到地下100m，因此地下空間資源監(jiān)測深度總體0～120m（考慮到利用的安全性，監(jiān)測深度必須大于開發(fā)利用深度）。

（4）土壤地質環(huán)境監(jiān)測網絡部署原則

土壤地質環(huán)境是動態(tài)的，監(jiān)測工作必須是持續(xù)的，需要通過連續(xù)獲得監(jiān)測點的各項參數(shù)指標，及時掌握土壤環(huán)境中地球化學元素的動態(tài)變化規(guī)律。監(jiān)測點位的布設應充分考慮交通、安全等方面，保障野外的可實施采樣，兼顧采樣現(xiàn)場的實際情況，并應充分考慮成土母質、土壤類型等不同地質單元屬性（趙鵬大，2012），在網格內的主要地質單元都要有監(jiān)測點，以保證樣點的代表性。

立足于全方位的立體監(jiān)測，包括表層監(jiān)測和垂向監(jiān)測，對區(qū)域上以表層監(jiān)測為主，對工業(yè)區(qū)等重點地區(qū)以實行垂向監(jiān)測為主，不僅監(jiān)測元素含量特征，而且監(jiān)測影響土壤地質環(huán)境的各種輸入輸出通量，為預測預警提供重要的參數(shù)。

3.2 綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化部署

按照原有的部署原則，八大監(jiān)測預警體系將分別建設八個相互獨立的監(jiān)測網絡，割裂了相互聯(lián)系，缺乏地質工程的集成與聯(lián)動機制，彼此之間數(shù)據(jù)的交互性差，不能實現(xiàn)多專業(yè)領域數(shù)據(jù)的互融互通、交換共享。城市地質協(xié)同開發(fā)利用的需求更新推動著地質資源監(jiān)測預警體系向以地質要素為分類機制的資源整合模式發(fā)展。

（1）綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化對象的確定

綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化就是將已有的八大專業(yè)監(jiān)測網絡綜合在一起進行統(tǒng)一管理及優(yōu)化，相互獨立的八大專業(yè)監(jiān)測網絡即為優(yōu)化的主要對象。

對比分析監(jiān)測網絡優(yōu)化主要對象的各自特點，可以看出：地下水環(huán)境監(jiān)測網和地面沉降監(jiān)測網都有地下水位監(jiān)測點。地下水環(huán)境監(jiān)測網和水土地質環(huán)境監(jiān)測網中都有地下水質監(jiān)測點。地面沉降、隱伏線性構造、重大線性工程都部署了水準測量的工作，地下水環(huán)境、地溫場環(huán)境都安排了地下水水質的取樣工作。這些單獨建立的監(jiān)測網絡對于很多的地質要素進行了重復的布設，既不利于資源的集約，也增加了重復工作量。因此，有必要打破原有所在網絡的限制，統(tǒng)一按照“地質要素”為基準，對原有專業(yè)領域的監(jiān)測網絡進行拆解、歸并和綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化。網絡綜合優(yōu)化的內容主要涉及點位的空間布設、數(shù)據(jù)采集頻率、測試指標、數(shù)據(jù)傳輸途徑的共享等方面。

（2）基于地質要素的綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化

城市區(qū)域概化后的地質環(huán)境要素主要包括地表形變、地層形變、土壤環(huán)境、地溫場環(huán)境、地下水水質、地下水水位、地下水水溫、地質體應力及其他地質要素（孔隙水壓力、振動、土體含水率、氡氣）九大類。按照這九大類地質要素的類型，將原有獨立的監(jiān)測網絡進行拆解，并以“地質要素”為單位進行重新組織和劃分。如對于重大線性工程、隱伏線性構造、地面沉降和地下空間這4個專業(yè)領域，都具有地層形變地質要素的監(jiān)測內容（圖2），其中分層標的監(jiān)測方法是線性工程、隱伏構造和地面沉降都需要采用的，因此需要對每個獨立的監(jiān)測網絡中的分層標監(jiān)測設施進行歸并和優(yōu)化處理。最終使得每一個特定地質單元的資源環(huán)境承載力都能得到準確、實時、集約化的監(jiān)測，實現(xiàn)物聯(lián)網基礎設施的集約化配置和監(jiān)測網絡的最優(yōu)布控（圖3）。

3.3 首都地質資源承載力監(jiān)測預警信息平臺建設

為實現(xiàn)平原區(qū)地質資源環(huán)境監(jiān)測的綜合管理與整體統(tǒng)籌，北京市地勘院通過集成、整合八大監(jiān)測網絡初步建設了首都地質資源承載力監(jiān)測預警信息平臺，有效實現(xiàn)了基于地質要素的綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化部署。平臺借助于多維地理信息系統(tǒng)、智慧地圖、互聯(lián)網大數(shù)據(jù)分析等多種信息化技術，實現(xiàn)了各個專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的對接，全面提升基于“物聯(lián)網”的八大監(jiān)測系統(tǒng)空間感知信息的動態(tài)獲取能力、多源異構數(shù)據(jù)的融合能力、地勘綜合預警預報模型的建設能力以及地質信息資源的按需服務能力。

平臺的構建本著對地質資源環(huán)境進行“一張圖”管理的原則，將已有數(shù)據(jù)進行梳理、重組、合并、加工，并按照統(tǒng)一的要求寫入數(shù)據(jù)庫，利用遙感、GIS、二三維可視化等技術，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、分析、輸出、信息展示等，并以圖形、表格、文字、GIS和數(shù)據(jù)模型相結合的方式，直觀、準確、動態(tài)地體現(xiàn)地質資源環(huán)境“一張圖”各個方面的信息，為準確掌握地質資源的分布利用情況和地質環(huán)境狀況提供科學的依據(jù)。

4 結論

（1）為推進專網體系建設，本文針對各專業(yè)監(jiān)測網的布置、監(jiān)測精度、重點不突出等幾個問題，綜合考慮監(jiān)測對象所在的地質環(huán)境條件、特征規(guī)模、通訊條件、施工條件等，重點研究了地下水環(huán)境監(jiān)測網、地面沉降監(jiān)測網、地下空間監(jiān)測網絡和土壤地質環(huán)境監(jiān)測網絡的優(yōu)化部署。隨著各專業(yè)監(jiān)測網絡的逐步實施運行，各專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)也逐步累積，為及時掌握地質環(huán)境的動態(tài)變化規(guī)律、綜合利用專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成有效的地質資源環(huán)境承載力信息提供了基礎保障。

（2）初步提出了基于地質要素為單位的綜合監(jiān)測網絡優(yōu)化部署，按照各重要地質環(huán)境要素組織監(jiān)測，使專業(yè)監(jiān)測工作更加科學化、系統(tǒng)化、規(guī)范化，為區(qū)域性監(jiān)測網絡優(yōu)化工作提供參考。首都地質資源承載力監(jiān)測預警信息平臺的建設將全面提升綜合監(jiān)測網絡的建設能力以及地質資源環(huán)境的按需服務能力，全面保障地區(qū)戰(zhàn)略性地質資源和地質環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

（3）北京市地質環(huán)境問題復雜，工程活動影響日益突顯，本文通過對監(jiān)測網絡的優(yōu)化設計，在監(jiān)測范圍上，整合區(qū)域網，突出專網特征。為今后實現(xiàn)對地質資源和地質環(huán)境承載能力的精準、有效的監(jiān)測提出理論基礎，以更好的保障北京的地質安全。

參考文獻

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